激光清洗技术的应用与展望

激光清洗技术的应用与展望

刘世超

中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710089

[摘要]激光清洗与机械摩擦清洗、化学药剂清洗、高频振动清洗等传统清洗方法相比，具有绿色环保、清洗效果优良、清洗效率高等诸多优点，是一项新型绿色环保清洗技术，在工业领域中应用越来越广泛。文中对激光清洗技术的原理、特点、发展现状以及激光清洗目前的主要应用进行了简要概述，最后对激光清洗技术的研究和发展进行了展望。

[关键字] 激光清洗、激光清洗原理、激光清洗应用

1  引言

激光清洗是基于激光与物质相互作用效应的一项新型绿色清洗技术[1]。与传统的机械清洗法、化学腐蚀清洗、液体固体强力冲击清洗、高频超声清洗等传统清洗方法相比，有明显的优点。它高效、快捷、成本低，对基片产生的热负荷和机械负荷小，清洗为非损伤；废物可回收，无环境污染物安全可靠，不损害操作人员健康证可以清除各种不同厚度、不同成份的涂层次清洁过程易于实现自动化控制，实现远距离遥控清洗等。

2  激光清洗原理

20 世纪80年代末, 随着激光加工技术的飞速发展, 激光加工技术得到越来越广泛的应用。由于激光微细加工技术的快速发展, 作为激光微细加工技术的一个分支, 激光清洗技术应运而生。激光清洗的实质是激光与物质相互作用的过程。

基本原理是: 利用激光具有强度高、能量密度大、聚焦性强、方向性好的特点。从激光器发出高能量密度、高重频激光束照射到基材表面时，基材表面的污渍吸收激光束所携带的能量后，使被照射的物质发生振动、熔化、蒸发、燃烧等一系列复杂的物理化学过程，污染物与基体之间的结合力 (氢键、共价键、范德华力、毛细作用、双偶极子和静电力等) 受到破坏或者使污染物直接气化等方式进行脱污，降低污染物与基体的结合强度，进而达到清洗工件表面的作用，最后污渍脱离基材表面的过程。激光清洗原理示意图如图1 所示。

图1  激光清洗原理示意图

激光清洗是一个非常复杂的过程，它涉及到烧蚀、熔化、蒸发、膨胀、分解、降解、燃烧等物理化学过程，而且在清洗过程中，多个机制有可能会同时存在，整个激光清洗过程大致分为激光气化分解、激光剥离、污染物粒子热膨胀、基体表面振动和污染物脱离等4个阶段。

3  激光清洗优势与技术分类

激光清洗技术与传统清洗技术相比，具有明显优势：（1）能够适应各种材料的表面污染物清洗；（2）通过调节激光波长、脉宽、光斑大小、作用时间等参数，可适用于各种清洗对象，并可实现精确定位清洗；（3）能够实现远程遥控自动化清洗，效率高；（4）施工环境无要求，清洗效率高；（5）操作简单，人员劳动强度低；（6）不需要清洁液或其他化学溶液，无污染，同步清洗同步处理，实现清洗过程零排放，是一种绿色环保的清洗方式；

目前，激光清洗技术包括干式激光清洗技术、湿式激光清洗技术和激光等离子体冲击波等3种清洗方式[2]。

1）干式激光清洗：主要适用于非透光材料和吸收系数大的材料，其主要机制包括热膨胀、气化、烧蚀和相爆炸等。通过采用激光辐射直接去除附着物，激光被附着物吸收后，产生振动，从而使基体和附着物分离。

2）湿式激光清洗：在清洗工件前，需在工件表面需预先覆盖水、乙醇等液体，以形成一层液体膜。主要机制包括液膜的沸腾、蒸发、振动等。在激光的作用下液膜温度快速升高而沸腾，沸腾的瞬间产生冲击波，作用在污染物颗粒中，使其从基体上脱落。此方法要求基体与液膜不能发生反应，故限制了应用材料的范围。

3）激光等离子体冲击波：是在激光照射过程中击穿空气介质而产生球状等离子体冲击波，冲击波作用在待洗基体表面并且释放能量将污染物去除；其过程并不是直接将激光束聚焦于被清洗物体的表面，而是使用等离子体冲击波进行清洗，清洗的对象主要是细小的微粒，因此对基体不产生伤害。

4  激光清洗技术的应用现状

激光清洗技术是随着激光技术本身的不断进步而迅速发展起来的，我国的激光清洗的研究和应用工作展开较晚，目前激光清洗尚未进入大规模工业应用阶段，完备的清洗设备并不多，并且其效率和稳定性仍有待改进。激光清洗最早的应用领域是清除石质文物 表面的污垢。20世纪70年代，美国科学家J.Asums率先提出用激光清洗技术清洗雕塑、壁画等文物的观点，并且在实践中验证了激光清洗对保护文物具有重要作用，过激光清洗后发现被清洗的表面光滑而平坦，完全不用担心以往的微粒子喷射法清洗后的表面损伤问题。

在飞机、汽车、船舶的制造中，激光清洗技术也早已占有一席之地。奥迪汽车公司早就使用光纤激光器清洗汽车焊缝表面，在去除污渍的同时也可提高焊接处的强度。激光清洗技术还可用于汽车发动机维护，快速清除发动机积碳与油污。此外，应用激光清洗汽车轮胎模具，可以保证产品的质量，而且清洗快速，无磨损，尤为重要的是，对操作员无危险。同时因为模具的表面反射，激光不会损伤模具。唯一缺点在于设备投资较高。但是。考虑较低的劳动力成本，模具磨损少，以及设备的长期稳定性，平均成本并不高。

工业领域中的应用越来越广泛。飞机重新喷漆前需要去除旧漆,我国罗红心等［3］利用连续CO2激光器对飞机蒙皮模拟试样进行脱漆，可一次将蒙皮旧漆除掉，且对基体无损伤。郑光等［4］在前人的基础上对TEA CO2激光飞机蒙皮脱漆后进行一系列性能测试，结果表明，脱漆后的飞机蒙皮抗拉强度、疲劳强度以及维氏硬度等与基体相比均无变化，耐蚀性能有所上升。目前，厚度为1mm、面积为36m2的旧漆层利用激光清洗可在1h内完全脱掉，在48h内可完成1架波音737飞机的蒙皮脱漆。以上足以说明，激光清洗技术在飞机蒙皮脱漆处理上的应用具有里程碑式意义。

对于超精加工后的零件，一旦受污，其高精度要求只有激光清洗可以达到。另外，科学家还将激光清洗技术应用于核电站反应堆内管的清洗。利用光导纤维，将高功率激光束引入反应堆内部。同时，激光清洗可以进行远距离操作，可以确保操作人员的安全。激光清洗技术在工业上的应用，使除积碳效果和焊接工艺质量得到大幅度的提升，可对不同的基材表面进行高效积碳清洗，减少焊接缺陷，提升材料的焊接性；同时还可节约企业的生产成本，提升企业的生产效率。

伴随着激光技术的不断进步和激光器价格的不断下降，激光清洗技术的普及已经在世界范围内掀起了一场传统清洗产业升级浪潮。截至2018年，激光清洗技术在各行业的市场价值已经达5.89 亿美元，预计2023 年这个数字可能会接近7.24 亿美元，5年间的复合年增长率可能达到4.22%。以上结果均表明，这种新型的清洁技术蕴藏着极大的市场发展潜力。

5  结论与展望

相比于传统清洗技术，激光清洗技术作为新一代绿色环保清洗技术，是新时代工业发展的产物，具有省时、省力、对基材无损害以及对环境无污染等优点，在航空航天、军工装备、电子电气等高精尖领域具有广阔的研究和应用前景。同时可预见的是，激光清洗以其超强的适应性，其应用将不断被扩展至新的领域，为清洗业带来一场绿色革命。

参考文献

［1］俞鸿斌，王春明，张威，等．激光清洗应用发展现状及展望［J］.电焊机， 2014．

［2］宋启良，胡振峰，梁秀兵等. 激光清洗技术的发展与应用［J］．新技术新工艺，2019．

［3］罗红心，程兆谷．大功率连续CO2激光器用于飞机激光去漆［J］．激光杂志，2022．

［4］郑光．飞机蒙皮激光脱漆技术研究［D］．北京：中国科学院，2005．